017 - Transient Torque(천이토크)의 이해와 선회 하중계수

 시콜스키헬기에 주로 장착되는 CT7 계열 및 T700 계열 엔진의 운용 제한사항을 살펴보면,
 Transient Torque에 대한 언급이 자주 등장한다. 여기에서는 Transient Torque의 개념과 비행 중 발생 가능한 원인,
 기체에 미치는 영향, 그리고 이를 완화하기 위한 조종사의 조치에 대해 알아보고자 한다.
 또한 항공기가 선회 시 증가하는 하중계수(load factor)를 통해 추가적으로 요구되는 동력에 대해 알아보자.
 

◈ 천이토크의 원리 및 원인
    - 일시적인 변화에 따른 천이토크는 정지 비행(호버링) 중 이륙을 위해 출력을 갑자기 높이거나,
      급격한 기동, 선회 등으로 인해 로터의 부하가 순간적으로 변할 때 발생
    - 회전익 항공기의 천이토크(Transient Torque)는 조종사의 횡적 사이클릭(lateral cyclic) 조작으로 인해
      발생하는 급격한 토크 변화(증가 또는 감소)를 의미합니다. 이는 헬리콥터의 엔진 제어 장치(EECU)가 로터의
      일정한 RPM을 유지하려고 할 때 발생
      ⓵ 오른쪽으로 선회하기 위해 왼쪽 로터 디스크의 양력을 증가시키고 오른쪽 로터 디스크의 양력을 감소시킨다.
          (시계방향회전 로터의 경우)
      ⓶ 자이로스코프 선행(Gyroscopic Precession)(회전운동의 세차현상)
          회전하는 로터의 특성상, 힘이 가해진 지점으로부터 회전 방향으로 약 90도 앞에서 실제적인 최대 효과가 나타남.
          따라서 오른쪽 로터 디스크의 양력 증가는 실제로는 로터 디스크의 후방 절반 부분에서 양력과 항력의 증가로 나타남.
      ⓷ RPM 변화 및 엔진 반응 : 후방 절반 부분의 항력 증가는 일시적으로 로터 RPM을 감소시킴.
          엔진 제어 장치(EECU)는 이 RPM 감소를 감지하고, 일정한 RPM을 유지하기 위해 엔진 출력을 급격히 증가시킵니다.
      ⓸ 토크 스파이크 발생: 이 과정에서 엔진 출력이 급격히 변동하며, 순간적으로 토크(회전력)가 크게 증가하거나(우선회 시) 감소하는(좌선회 시) 현상이 발생하는데, 이를 천이토크 스파이크라고 한다.
 
◈ 기체에 미치는 영향 및 조치
    (시계방향 회전 로터 기준(블랙호크나 아파치, S-76등은 반대로 적용))
    - 천이토크는 예측하지 못한 기체의 요(Yaw, 기수 방향 전환) 움직임을 유발할 수 있으며,
      조종사는 이를 상쇄하기 위해 테일 로터 페달 등을 이용해 지속적으로 보정해야 한다.
    - 급격한 기동 시 발생하는 천이토크는 항공기 운용 한계(최대 허용 토크)를 초과할 수 있으며,
      이는 항공기 부품에 손상을 줄 수 있다.
    - 조종사는 과도한 토크 발생을 방지하기 위해 사이클릭 조작을 빠르거나 크게 하지 않고 부드럽게 조작하는 것이 중요하다.
    - 비행간 나타나는 현상
       * 우경사
         ** 퇴진블레이드의 피치증가로 유도항력 증가
         ** Rotor RPM 감소
         ** Nr감소를 FADEC 시스템에서 감지해서 EECU를 통해 연료조절
         ** T/Q 일시 증가현상 발생
      * 좌경사 
         ** 퇴진블레이드의 피치감소로 유도항력 감소
         ** Rotor RPM 증가
         ** Nr증가를 FADEC 시스템에서 감지해서 EECU를 통해 연료조절
         ** T/Q 일시 감소현상 발생
    - 조작 시 유의사항
      * 고속 / MTA에 가까운 동력사용상태에서 기동시에 주의요망
      * 시계방향로터의 경우 : 우선회시 Collective Down, 좌선회 Collective Up
      * 반시계방향로터의 경우 : 좌선회시 Collective Down, 우선회 Collective Up   
 
◈ 요약
천이토크는 회전익 항공기의 출력 및 항공기 기동에 따라 발생하는 일시적인 회전 불균형이며,
조종사의 즉각적이고 정확한 조종을 요구하는 중요한 항공 역학적 현상이다.
 
◈ 회전익 항공기의 선회 시 하중 계수(Load Factor)
    고정익 항공기와 마찬가지로
    뱅크각(선회각도, Bank Angle)에 따라 결정되며, 그 관계는 (n=1/cos(뱅크각)) 공식으로 표현할 수 있다.
    하중 계수는 항공기 무게에 대한 양력의 비율(n=양력/무게)을 나타내며,
    이는 조종사나 기체 구조가 받는 중력 가속도의 배수(G)로 측정된다.
 
주요 선회각도별 하중 계수는 아래와 같다. (수평 비행을 유지하는 것을 전제로 함)

선회각도(bank angle)	하중계수(Load Factor,n)	기체에 가해지는 하중배수
0°	1/cos(0°) = 1	1G(정상 중력)
15°	1/cos(15°) ≒ 1.04	약 1.04G
30°	1/cos(30°) ≒ 1.15	약 1.15G
45°	1/cos(45°) ≒ 1.41	약 1.41G
60°	1/cos(60°) = 2	2G
75°	1/cos(75°) ≒ 3.86	약 3.86G

 
지속적인 속도/고도 유지를 위해서는 잉여동력이 필요함
예를 들어 현재 수평비행 동력이 60이라면 45°수평선회를 위해서는 약 84.6이 필요함
 
◈ 관련근거
- FAA Rotorcraft Flying Handbook (FAA-H-8083-21B)
- 자이로스코프 선행(Gyroscopic Precession) 이론
- 엔진 및 연료 제어 시스템 기술 문서: FADEC 또는 연료 제어 시스템 관련 기술 문서